LAMOST发现迄今最大的恒星级黑洞？

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11月28日，中国天文学家利用郭守敬望远镜（LAMOST）发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞LB-1，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗近70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远远超过了理论预言的质量上限，或将改写恒星演化和黑洞形成理论。 [图片]
作者：一点资讯

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本回答授权转载自“ 中国科学院国家天文台”，转载请联系 [email protected]
先描述下成果~
北京时间2019年11月28日凌晨，国际顶尖科学期刊《自然》在线发布了我国天文学家主导的一项重大发现。中国科学院国家天文台刘继峰研究员、张昊彤研究员领导的研究团队发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，并提供了一种利用郭守敬望远镜（LAMOST）巡天优势寻找黑洞的新方法，这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。
宇宙吸光器

霍金在其最后的著作《十问》中写道，“事实有时候比小说更奇妙，黑洞最能真实地体现这一点，它比科幻作家想象的任何东西都更奇妙”。
本身不发光，密度非常大（把10倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环大小的球体中，这样的密度就相当于黑洞的密度），具有超强的吸引力，任何从其身边经过的物质，包括速度最快的光也无法逃离，这种神奇的天体就是黑洞。
因此可以说，黑洞是名副其实的宇宙真空“吸光器”。
天文学家根据黑洞质量的不同，将黑洞大致分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的。当一颗恒星演化到最后剩下的质量太多（大于3倍太阳质量），多到既不能形成白矮星，也不能成为中子星，一旦进入死亡阶段，就没有任何力量可以阻止这颗恒星在引力的作用下持续塌缩，最终形成致密的黑洞。
黑洞神秘而有趣，它们若龙潜深渊，隐藏爪牙，潜行于宇宙时空中。既然黑洞本身不发光，天文学家如何在茫茫宇宙中寻找它们呢？这就要靠它们身边的“高调”的小伙伴们了~
黑洞周边的吸积盘或者伴星都会表现出异样的“气场”。如果黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星系统，黑洞就会露出狰狞的爪牙，以强大的胃口直接把恒星上的气体物质吸过来，形成吸积盘，发出明亮的X射线光，这些X射线光如同物质被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是这一 “照”，成为天文学家过去这些年追寻黑洞踪迹的强有力线索（图一）。
图一 黑洞吸积喷射出X射线的艺术想象图（来自网络）
迄今为止，天文学家发现的二十多颗恒星级黑洞几乎都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的，质量均在3到20倍太阳质量。
理论预测，银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞，而在黑洞双星系统中，能够发出X射线辐射的只占一小部分。长期以来，天文学家认为径向速度监测可以发现X射线微弱的“平静态”黑洞，这颗迄今最大质量黑洞的发现恰好证实了这点。
星星在绕“谁”运动？

国家天文台刘继峰研究员和张昊彤研究员领导的研究团队，在浩瀚星海中发现了一个表现异常的双星系统，这其中是否包含一颗深藏不露的黑洞呢？
700多天饱含艰辛和精彩的追逐之路，给出了令人惊喜的答案。
2016年初，LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出利用LAMOST观测双星光谱，开展双星系统的研究计划，并选择了开普勒一个天区（K2-0）中的3000多个天体进行了为期两年之久的光谱监测。
其中，一颗“走路拉风”的B型星成功引起了研究人员的关注。
除了表现出规律的周期性运动，光谱中一条近乎静止且运行方向和B型星相反的明线（Hα发射线）给这颗星增添了足够的神秘感。研究人员怀疑这颗B型星背后一定有故事，它到底在绕着看不见的“谁”运动？莫非是黑洞？
为了进一步发掘这颗B型星背后的真相，研究人员申请了西班牙10.4米口径加纳利大望远镜(GTC)和美国10米口径凯克望远镜（Keck）的光谱观测，确认了B型星的性质。
通过拟合B型星和Hα发射线的速度曲线（图二），结合B型星的质量大小（8倍太阳质量），研究人员计算出，该双星系统中存在一个质量约为70倍太阳质量的不可见天体，它只能是黑洞。
就这样，天文学家们成功找到了B型星背后的“大BOSS”。
这样的结果无疑是令人兴奋的，也再一次令人感慨，机遇永远都是留给有准备的人 ，没有两年前茫茫星海的“撒网”，便没有今天这个“主角”的出现。
图二 LB-1系统中B型星和黑洞的运动规律和速度曲线
为了纪念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上做出的贡献，天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1。
与其他已知的恒星级黑洞不同，LB-1从未在任何X射线观测中被探测到，这颗黑洞和它的伴星相距较远（1.5倍日地距离），是一个“平静温和”的恒星级黑洞 “冠军”。
图三  LB-1的艺术想象图（喻京川绘)
从2015年起，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）及欧洲室女座引力波天文台（Virgo）的引力波观测实验已经发现了几十倍太阳质量的黑洞，质量远高于先前已知的恒星级黑洞。这颗银河系内70倍太阳质量黑洞的发现，再一次刷新了人类对于恒星级黑洞质量上限的认知。
图四  LB-1和引力波并合事件、X射线方法发现的黑洞的质量分布
刘继峰研究员介绍说，一般模型认为大质量恒星级黑洞主要形成于低金属丰度环境中，LB-1却有一个与太阳金属丰度相近的B型星。但是，目前恒星演化理论预言，在太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞，而这颗新发现黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。
LIGO台长大卫·雷茨评论，“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞，将迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。这一非凡的成果，将与过去四年里美国激光干涉引力波天文台（LIGO）及欧洲室女座引力波天文台（Virgo）探测到的双黑洞并合事件一起，推动黑洞天体物理研究的复兴”。
“光谱之王”和“黑洞之王”的彼此成就

这颗 “黑洞之王”的发现，充分证实了LAMOST望远镜强大的光谱获取能力。LAMOST拥有4000颗眼睛（光纤），一次能观测近4000个天体，2019年LAMOST成为全球首个突破千万的光谱巡天项目，被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。
在这颗超级黑洞的发现过程中，LAMOST历时两年对一个天区内的3000多个目标进行了26次观测，累计曝光时间约40小时。如果利用一架普通四米口径望远镜专门来寻找这样一颗黑洞，同样的几率下，则需要40年的时间，这充分体现了LAMOST望远镜超高的观测效率。
“工欲善其事必先利其器”，LAMOST这台“天文利器”助力天文学家发现了今天的主角“黑洞之王”，而“黑洞之王”的现身也为“光谱之王”——LAMOST增添了更多精彩。
这颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，是LAMOST发现的第一颗黑洞，它的出现将标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来。“光谱之王”和“黑洞之王”的彼此成就也将成为天文界津津乐道的一段佳话。     
图五 LAMOST望远镜与星空（国家天文台供图）
利用LAMOST大规模巡天优势和速度监测方法，相信天文学家在未来还将发现一批深藏不露的平静态黑洞, 从而逐渐揭开这个黑暗家族的内幕，为研究黑洞形成演化及质量分布迈出标志性的一步。


本文作者：
王松，中国科学院国家天文台助理研究员，主要从事黑洞双星和恒星活动性的研究。
李双，中国科学院国家天文台工程师，LAMOST运行和发展中心宣传主管。
陆由俊，中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学岗位教授，研究方向为理论天体物理，包括黑洞物理、引力波天体物理和星系宇宙学。
刘继峰，中国科学院国家天文台副台长、研究员，中国科学院大学天文与空间科学学院常务副院长。研究方向包括致密双星，恒星活动性等。
轮值主编：陆由俊（国家天文台研究员）
编辑：黄京一、蔡琳、柒柒

everloses

上周刚刚在《X射线双星》这门课上听李向东大大（这篇文章的合作者之一）讲到了这篇文章，因为这次发现可能会改变，甚至是颠覆X射线双星这个领域至少一半的现有理论！
首先，这次的发现的黑洞是一个双星系统（两个天体相互绕转），并且是X射线双星！顾名思义，所谓的X射线双星，指的是能够产生X射线的双星系统，典型的X射线双星是由一个普通恒星（又称伴星）和一颗致密星组成的，这颗致密星一般而言是中子星或是黑洞（白矮星的情况较少）。如下图所示，左边的是伴星（普通恒星），右边最中心的是致密星，周围的盘状物被称为吸积盘，是伴星的物质收到致密星的引力作用，而从伴星表面转移到致密星的周围所形成的。这里的物质因为高速碰撞和摩擦，所产生的温度甚至能达到上亿度！因此，吸积盘一般也被认为是产生X射线的主要区域。
X射线双星（图片来自网络，侵删）
这次发现的黑洞LB-1也是这样一个双星系统，它的伴星是一颗8倍太阳质量大小的蓝色恒星。但与众不同的是，之前发现的X射线双星中的致密星的质量最大也就在10个太阳质量左右，然而这次的致密星（黑洞）居然达到了70个太阳质量！在大家看来，这样的差别其实不大，更何况是在天文学中？但是关键在于，后者的质量已经大到完全不能用现有的恒星结构演化和黑洞形成理论来解释！作为二十世纪天文学最耀眼的理论之一，恒星形成理论几乎完美的解释了恒星的结构和演化，也阐明了恒星级黑洞的形成原因，与观测更是十分相符，是天文学中难得的体系较为完整的一套理论。但是，它的局限在于，初始恒星的质量上限大概在100个太阳质量，这样经过演化中的脉动，抛射和超新星爆发，最后形成的黑洞质量，撑死10个太阳质量左右。所以，像这样70个太阳质量大的黑洞，完全不能用这样的理论来解释。不过，考虑到恒星形成理论在普通恒星演化上的契合，而黑洞作为宇宙中的一朵奇葩，个人认为，大幅度修改恒星形成理论的可能性不大，而另辟蹊径，为这样的黑洞寻找一个专属它们的形成原因作为理论补充的可能性比较大，就像超大质量黑洞一样。
此外，其实这个的发现对恒星形成理论的冲击也没有大。2015年LIGO探测到的引力波就是两个30个太阳质量大小的黑洞并合产生的。如前所说，这个质量是恒星形成理论所预言的黑洞上限的3倍！自然也不能用该理论来解释成因，所以从那时起，天文学界已经有了心理准备，并开始思考这类黑洞的成因了。反而，这次X射线双星领域遭受的冲击比较大。因此吸积盘的模型和物理性质与致密星的质量密切相关！之前致密星的质量可能在2~10个太阳质量之间，10个太阳质量的黑洞就已经属于大质量X射线双星了！然而现在，致密星的质量上限还可以高7倍！那之前的很多理论模型可能都不适用了。
最后补充一个关于黑洞质量的问题，目前我们发现的黑洞分两种：质量在几个到几十个太阳质量大小之间的为恒星级黑洞；质量在百万个太阳质量以上的被称为超大质量黑洞，如银河系中心的超大质量黑洞（460万个太阳质量）和室女座（M87）中心超大质量黑洞（60亿个太阳质量）。理论上还预言了一种质量在100~10000个太阳质量大小的中等质量黑洞，但是目前还没有证实。

gongjingwe

谢邀，拉磨（划去）郭守敬望远镜这个工作发表在最新的《自然》杂志上，作者里面也是有不少熟悉的名字。
因为不是做这个方向的，所以简单说一下个人的理解吧。
1. 发现了什么？
一颗68倍太阳质量的黑洞（LB-1），在目前发现的恒星级黑洞里面是最大的（这点可以参考 @刘博洋 的回答）。
恒星级黑洞是通过单个恒星演化、多个恒星相互作用形成的，通常也就是几个几十个太阳质量；还有另外一种黑洞是盘踞在星系中心的“超大质量黑洞”，可以达到几百万甚至若干亿倍的太阳质量，这种可能是由巨大的气体云塌缩产生的。虽说同样是黑洞，恒星级黑洞和超大质量黑洞从出身到块头都有天壤之别。至于它们中间那些，好像还在研究中。
LB-1这个黑洞的质量其实是68(+11/-13)倍的太阳质量，不过一般新闻会说是70，一方面天文误差你懂的，另一方面可能是为了防止读者看晕......
2. 意义是什么？

提供了一种利用郭守敬望远镜（LAMOST）巡天优势寻找黑洞的新方法，这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

3. 目前的观测水平：
不论是地基望远镜还是天文卫星，目前我国跟欧美比还是有一些差距的，光是美国航天局（NASA）一家的在轨天文卫星都能组一个舰队了，而我国现有的天文卫星只要一只手就数得过来，所以还要努力追赶。
最后吐槽一句，在直播页面看到下图这样神奇的数字，不知道该如何解释……
参考资料：
国家天文台的新闻
号外！迄今最大质量恒星级黑洞露出神秘面纱《自然》杂志的文章
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2?from=groupmessage&isappinstalled=0

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只能算是意外之喜吧
LAMOST既是中国天文学的骄傲，但也是制造大天文设备的过程中交的学费  LAMOST是我国第一个现代大型天文观测设施，本来设计为用于河外星系巡天的大视场中星仪式施密特，但我国的光学设备制造整合能力并不理想，实际的极限星等只有18.8，远低于设计指标，因此无法遂行原定的星系巡天任务。这次发现的恒星级黑洞是依靠双星系统相互绕转发现的，全世界早就有先例了。这次的发现最终还是得益于LAMOST强大的时域巡天能力，这算是LAMOST撑门面的一大功能了
所以我必须指出这实际反映了国内天体物理学的最大矛盾：随着基础科学的发展，国内天文学家日益增长的观测需求与国内落后的硬件条件之间的矛盾。然而天文学是一门基于观测事实的科学，因此我国现在更多地参与到国际天文学事务之中，以全体中国天文人的努力来换取国际上先进天文设施的观测时间。
我是未来的中国天文人，我真心希望看到中国天文学的发展进步，在基础科学上不被人卡脖子。我们认识到中国的天文学必须看到这些矛盾，才能真正地发展。中国的天文学起步很晚，但我相信随着国家对基础科学的大力支持，这样的意外之喜很快就会变得稀松平常，这大概是我们国家的天文学最好的未来吧。毕竟，现在的中国天文学实际上是落后西方很多的。
所以核心就是要钱